November 15,2019

홍합 접착성분 활용해 수소연료전지 내구성 높인다

KIST 연구팀, 도파민 표면 접착 특성 활용한 전해질막 개발

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국내 연구진이 친환경 에너지원으로 주목받는 수소연료전지의 핵심 요소인 전해질막 내구성을 홍합의 천연 접착성분을 이용해 획기적으로 높이는 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 연료전지연구센터 김진영 박사팀은 27일 홍합에 있는 도파민(dopamine)의 뛰어난 표면 접착 특성을 활용해 수소연료전지에서 수소이온 전달과 전극 간 분리 역할을 하는 전해질막의 내구성을 획기적으로 개선한 강화복합 고분자 전해질막을 개발했다고 밝혔다.

강화복합 전해질막 연료전지는 극한 조건에서 가속 수명시험을 한 결과, 5천회 이상 습도변화(상대습도 100%와 0%를 반복) 후에도 기존 전해질막 연료전지보다 안정적인 성능을 유지하는 것으로 확인됐다. ⓒ 한국과학기술연구원 제공

강화복합 전해질막 연료전지는 극한 조건에서 가속 수명시험을 한 결과, 5천회 이상 습도변화(상대습도 100%와 0%를 반복) 후에도 기존 전해질막 연료전지보다 안정적인 성능을 유지하는 것으로 확인됐다. ⓒ 한국과학기술연구원 제공

수소전기차의 동력원인 수소연료전지는 수소 기체와 대기 중 산소를 활용해 전기를 생산하고 물만 배출하는 친환경 에너지원이다. 최근 수소연료전지 성능이 빠르게 향상돼 상용화 범위가 넓어지고 있으나 수소이온을 전달하고 양 전극을 분리하는 전해질막의 내구성 향상은 더디게 진행돼 연료전지 수명을 결정하는 핵심 요소가 되고 있다.

현재 수소연료전지에는 기계적 특성이 뛰어난 다공성 테플론(PTFE) 지지체에 수소이온을 전달하는 과불소계술폰산(PFSA) 중합체를 조밀하게 스며들게 한 복합 고분자 전해질막이 사용된다. 하지만 이 전해질막은 사용과정에서 수축과 팽창이 반복되면 PFSA가 소실돼 기체가 막을 투과하는 등 내구성이 떨어지는 문제가 있다.

다공성 테플론(PTFE) 지지체를 도파민으로 만든 고분자물질인 폴리도파민(polydopamine)으로 코팅하고, 그 위에 수소이온 전도성을 갖는 PFSA 고분자가 스며든 형태의 강화복합 고분자 전해질막을 만들었다.  ⓒ 한국과학기술연구원 제공

다공성 테플론(PTFE) 지지체를 도파민으로 만든 고분자물질인 폴리도파민(polydopamine)으로 코팅하고, 그 위에 수소이온 전도성을 갖는 PFSA 고분자가 스며든 형태의 강화복합 고분자 전해질막을 만들었다. ⓒ 한국과학기술연구원 제공

KIST 연구팀은 홍합이 거친 바닷물 속에서도 강한 접착력을 발휘할 수 있게 하는 도파민 성분의 접착 특성을 이용해 연료전지용 고분자 전해질막의 내구성을 개선할 아이디어를 찾았다.

먼저 다공성 테플론 지지체를 도파민으로 만든 고분자물질인 폴리도파민(polydopamine)으로 코팅하고, 그 위에 수소이온 전도성을 갖는 PFSA 고분자가 스며든 형태의 강화복합 고분자 전해질막을 만들었다.

극소수성을 띠던 테플론 지지체 표면이 코팅된 폴리도파민에 의해 친수성으로 변하면서 친수성인 PFSA가 더 잘 스며들고, 두 고분자의 경계면에서 발생하던 균열이나 기공도 많이 감소해 수축·팽창에 대한 내구성이 향상됐다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 또 폴리도파민이 코팅된 테플론 지지체 표면은 활성산소로 인한 전해질막의 화학적 열화를 막기 위해 첨가하는 산화방지제인 세륨(Ce) 성분이 잘 달라붙어 연료전지의 화학적 내구성도 높아졌다고 덧붙였다.

가속 수명테스트 전·후 강화복합 전해질막 미세구조 변화 비교 ⓒ 한국과학기술연구원 제공

가속 수명테스트 전·후 강화복합 전해질막 미세구조 변화 비교 ⓒ 한국과학기술연구원 제공

강화복합 전해질막 연료전지는 극한 조건에서 가속 수명시험을 한 결과, 5천회 이상 습도변화(상대습도 100%와 0%를 반복) 후에도 기존 전해질막 연료전지보다 안정적인 성능을 유지했으며, 전해질막 두께도 70%가량 줄어드는 기존 전해질막과 달리 97% 이상 유지되고 표면상태도 안정적인 것으로 확인됐다고 연구진을 밝혔다.

김진영 박사는 “자연계 물질에서 아이디어를 얻어 이를 모사한 기술로 기존 산업기술의 문제점을 극복했다”며 “이 연구 결과가 수소연료전지 성능 향상을 이끌고 강화복합 고분자 형태의 전해질막을 활용하는 다양한 응용 분야 발전에 적용되길 기대한다”고 말했다.

KIST 기관고유사업과 글로벌프런티어 사업으로 수행된 이 연구 결과는 국제학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’(Advanced Functional Materials) 최신호에 게재됐다.

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